MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)課件

1、第第2章章 MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)2.1 MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.2 MCS-51單片機(jī)的引腳及片外總線結(jié)構(gòu)單片機(jī)的引腳及片外總線結(jié)構(gòu)2.3 MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置2.4 CPU的時(shí)序及輔助電路的時(shí)序及輔助電路2.1 MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.1.1 MCS-51單片機(jī)的基本組成單片機(jī)的基本組成2.1.2 MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.1.3 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)2.1.4 輸入輸入/輸出（輸出（I/O）端口結(jié)構(gòu)）端口結(jié)構(gòu)返回本章首頁2.1.1 MCS-51單片機(jī)

2、的基本組成單片機(jī)的基本組成圖2-1 MCS-51單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖時(shí)鐘電路SFR和RAMROMCPU定時(shí)/計(jì)數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系 統(tǒng) 總 線時(shí)鐘源T0 T1P0 P1 P2 P3TXD RXD INT0 INT1（1）一個(gè)）一個(gè)8位微處理器位微處理器CPU。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和特殊功能寄存器和特殊功能寄存器SFR。（3）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM。（4）兩個(gè)定時(shí)）兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)器，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可用作定時(shí)器。計(jì)數(shù)，也可用作定時(shí)器。（5）四個(gè)）四個(gè)8位可編程的位可編程的I/O（輸入（輸入/輸出）并行輸出）并行端口，每個(gè)端

3、口既可做輸入，也可做輸出。端口，每個(gè)端口既可做輸入，也可做輸出。（6）一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。）一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。（7）中斷控制系統(tǒng)。）中斷控制系統(tǒng)。（8）內(nèi)部時(shí)鐘電路。）內(nèi)部時(shí)鐘電路。返回本節(jié)2.1.2 MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（器（RAM）容量（）容量（如表如表2-1所示）。所示）。2輸入輸入/輸出（輸出（I/O）端口）端口3外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間間4中斷與堆棧中斷與堆棧5定時(shí)定時(shí)/計(jì)數(shù)器與寄存器區(qū)計(jì)數(shù)器與寄存器區(qū)6

4、指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 存儲(chǔ)器類型單片機(jī)系列掩膜ROMEPROMRAMMCS-5151子系列8031/128B80514KB/128B8751/4KB128B52子系列8032/256B80528KB/256B8752/8KB256B表2-1 MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器容量返回本節(jié)2.1.3 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)1運(yùn)算器運(yùn)算器運(yùn)算器由運(yùn)算器由8位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU（Arithmetic Logic Unit）、）、8位累加器位累加器ACC（Accumulator）、）、8位寄存器位寄存器B、程序狀態(tài)字、程序狀態(tài)字寄存器寄存器PSW（Program Status

5、 Word）、）、8位暫位暫存寄存器存寄存器TMP1和和TMP2等組成。等組成。 2控制器控制器主要由程序計(jì)數(shù)器主要由程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器、指令寄存器IR、指令、指令譯碼器譯碼器ID、堆棧指針、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針、數(shù)據(jù)指針DPTR、時(shí)、時(shí)鐘發(fā)生器及定時(shí)控制邏輯等組成。鐘發(fā)生器及定時(shí)控制邏輯等組成。通道0驅(qū)動(dòng)器通道2驅(qū)動(dòng)器RAM地址鎖存器RAM通道0鎖存器通 道 2 鎖存器ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器緩沖器PC遞增器程序計(jì)數(shù)器PC驅(qū)動(dòng)器DPTR指針VCCGNDP1.0P1.7堆棧指針SPACCTMP2PSW通道3鎖存器通道1鎖存器通道1驅(qū)動(dòng)器通道3驅(qū)動(dòng)器TMP1SCON T

6、MODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中斷、串行口和定時(shí)器邏輯振蕩器P3.0P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定時(shí)和控制邏輯指令譯碼器圖2-2 MCS-51片內(nèi)總體結(jié)構(gòu)框圖P0.0P0.7P2.0P2.7返回本節(jié)2.1.4 輸入輸入/輸出（輸出（I/O）端口結(jié)構(gòu)）端口結(jié)構(gòu)正如圖正如圖2-2所示，所示，MCS-51單片機(jī)有單片機(jī)有4個(gè)雙向個(gè)雙向并行的并行的8位位I/O口口P0P3，P0口為三態(tài)雙向口，口為三態(tài)雙向口，可驅(qū)動(dòng)可驅(qū)動(dòng)8個(gè)個(gè)TTL電路，電路，P1、P2、P3口為準(zhǔn)雙口為準(zhǔn)雙向口（作為輸入時(shí)，口線被拉成高電

7、平，故向口（作為輸入時(shí)，口線被拉成高電平，故稱為準(zhǔn)雙向口），其負(fù)載能力為稱為準(zhǔn)雙向口），其負(fù)載能力為4個(gè)個(gè)TTL電電路。路。1P0口的結(jié)構(gòu)口的結(jié)構(gòu)VCCP0.X鎖存器讀鎖存器地址/數(shù)據(jù)控制D讀引腳寫鎖存器內(nèi)部總線QQMUXT2P0.XT1CL圖2-3 P0口的一位結(jié)構(gòu)圖2P1口的結(jié)構(gòu) VCCP1.X鎖存器讀鎖存器D讀引腳寫鎖存器內(nèi)部總線QQTP1.X內(nèi)部上拉電阻 CL 圖2-4 P1口的一位結(jié)構(gòu)圖3P2口的結(jié)構(gòu)口的結(jié)構(gòu)圖2-5 P2口的一位結(jié)構(gòu)圖VCCP2.X鎖存器讀鎖存器地址控制D讀引腳 寫鎖存器內(nèi)部總線QQM UXTP2.X內(nèi)部上拉電阻CL4P3口的結(jié)構(gòu)口的結(jié)構(gòu)圖2-6 P3口的一位結(jié)構(gòu)圖

8、VCCP3.X鎖存器讀鎖存器第二輸出功能D讀引腳 寫鎖存器內(nèi)部總線QQTP3.X內(nèi) 部 上 拉 電阻第二輸入功能CL表2-2 P3口的第二功能表P3.2P3.3位線引腳第二功能P3.010RXD（串行輸入口）P3.111TXD（串行輸出口）12INT0（外部中斷0）13INT1（外部中斷1）P3.414T0（定時(shí)器0的計(jì)數(shù)輸入）P3.515T1（定時(shí)器1的計(jì)數(shù)輸入）16WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫脈沖）17RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖）P3.7 P3.6 返回本節(jié)2.2 MCS-51單片機(jī)的引腳及片外總線結(jié)構(gòu)單片機(jī)的引腳及片外總線結(jié)構(gòu)2.2.1 MCS-51單片機(jī)芯片引腳描述單片機(jī)芯片引腳描述2.2.

9、2 MCS-51單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu)單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu)返回本章首頁2.2.1 MCS-51單片機(jī)芯片引腳描述單片機(jī)芯片引腳描述圖圖2-7為為MCS-51單片機(jī)的引腳配置圖。單片機(jī)的引腳配置圖。1主電源引腳主電源引腳VCC和和VSS2外接晶振引腳外接晶振引腳XTAL1和和XTAL23控制或其他電源復(fù)用引腳控制或其他電源復(fù)用引腳RST/ VPD、ALE/、和和/VPP4輸入輸入/輸出引腳輸出引腳P0、P1、P2、P3（共（共32根）根） 圖2-7 MCS-51單片機(jī)的引腳配置圖P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/

10、P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0 返回本節(jié)2.2.2 MCS-51單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu)單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu)地址鎖存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A

11、3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCC P0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2圖2-8 MCS-51片外總線結(jié)構(gòu)示意圖 微型計(jì)算機(jī)中的總線通常分為：微型計(jì)算機(jī)中的總線通常分為：（1）地址總線（）地址總線（AB）：地址總線寬度為）：地址總線寬度為16位，位，由由P0口經(jīng)地址鎖存器提供低口經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址（位地址（A0-A7）

12、；）；P2口直接提供高口直接提供高8位地址（位地址（A8A15）。地址信）。地址信號(hào)是由號(hào)是由CPU發(fā)出的，故地址總線是單方向的。發(fā)出的，故地址總線是單方向的。（2）數(shù)據(jù)總線（）數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，位，用于傳送數(shù)據(jù)和指令，由用于傳送數(shù)據(jù)和指令，由P0口提供?？谔峁＃?）控制總線（）控制總線（CB）：控制總線隨時(shí)掌握各）：控制總線隨時(shí)掌握各種部件的狀態(tài)，并根據(jù)需要向有關(guān)部件發(fā)出命種部件的狀態(tài)，并根據(jù)需要向有關(guān)部件發(fā)出命令。令。 返回本節(jié)2.3 MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置2.3.1 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2.3.2 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片

13、外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2.3.3 程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器返回本章首頁2.3.1 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖2-9（a）所示；其具）所示；其具體位地址單元如表體位地址單元如表2-3所示；專用寄存器的地址所示；專用寄存器的地址映像如表映像如表2-4所示。所示。 1累加器累加器累加器是一個(gè)最常用的專用寄存器，其自身帶累加器是一個(gè)最常用的專用寄存器，其自身帶有全零標(biāo)志有全零標(biāo)志Z，若，若A=0則則Z=1；若；若A0則則Z0。該標(biāo)志常用作程序分支的判斷條件。該標(biāo)志常用作程序分支的判斷條件。特殊功能寄存器通用RAM區(qū)位尋址區(qū)00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH

14、80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位尋址外部ROM內(nèi)部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外 部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（a）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（b）程序存儲(chǔ)器（c）工作寄存器區(qū)圖2-9 MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)表2-3 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的位地址表2-4 特殊功能寄存器地址及功能表2寄存器寄存器（1）PSW：程序狀態(tài)字寄：程序狀態(tài)字寄存器。定義格式如右上邊。存器。定義格式如右上邊。其中，其中，CY：進(jìn)借位標(biāo)志；：進(jìn)借位標(biāo)志；AC：輔助進(jìn)借位標(biāo)志；：輔助

15、進(jìn)借位標(biāo)志； F0：用戶標(biāo)志；用戶標(biāo)志； RS1、RS0：工：工作寄存器組選擇（如表作寄存器組選擇（如表2-5所示）。所示）。（2）SP：堆棧指針。：堆棧指針。（3）DPTR：數(shù)據(jù)地址指：數(shù)據(jù)地址指針寄存器。針寄存器。 D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVXPRS1 RS0選擇工作寄存器組0 00組（00H07H）0 11組（08H0FH）1 02組（10H17H）1 13組（18H1FH）表2-5 工作寄存器組選擇控制表返回本節(jié)2.3.2 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器又稱外部外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器又稱外部RAM，當(dāng)片內(nèi)，當(dāng)片內(nèi)RAM不能滿足數(shù)量上的要求時(shí)，可通過

16、總線端口和不能滿足數(shù)量上的要求時(shí)，可通過總線端口和其他其他I/O口擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)口擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)RAM，其最大容量可，其最大容量可達(dá)達(dá)64K字節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖字節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖2-9（b）所示。）所示。在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)區(qū)和擴(kuò)展的在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)區(qū)和擴(kuò)展的I/O口口是統(tǒng)一編址的，使用的指令也完全相同，因此，是統(tǒng)一編址的，使用的指令也完全相同，因此，用戶在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理地進(jìn)行外部用戶在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理地進(jìn)行外部RAM和和I/O端口的地址分配，并保證譯碼的唯端口的地址分配，并保證譯碼的唯一性。一性。返回本節(jié)2.3.3 程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)如圖程序存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

17、如圖2-9（c）所示，包括片）所示，包括片內(nèi)和片外程序存儲(chǔ)器兩個(gè)部分。其主要用來存內(nèi)和片外程序存儲(chǔ)器兩個(gè)部分。其主要用來存放編好的用戶程序和表格常數(shù)，它以放編好的用戶程序和表格常數(shù)，它以16位的程位的程序計(jì)數(shù)器序計(jì)數(shù)器PC作為地址指針，故尋址空間為作為地址指針，故尋址空間為64KB。返回本節(jié)2.4 CPU的時(shí)序及輔助電路的時(shí)序及輔助電路2.4.1 單片機(jī)的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘電路2.4.2 振蕩周期、時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令振蕩周期、時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期周期2.4.3 MCS-51單片機(jī)指令的取指和執(zhí)行時(shí)單片機(jī)指令的取指和執(zhí)行時(shí)2.4.4 單片機(jī)復(fù)位電路及復(fù)位狀態(tài)單片機(jī)復(fù)位電路及復(fù)位狀

18、態(tài)返回本章首頁2.4.1 單片機(jī)的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘電路單片機(jī)時(shí)鐘電路通常有兩種形式：?jiǎn)纹瑱C(jī)時(shí)鐘電路通常有兩種形式：1內(nèi)部振蕩方式：內(nèi)部振蕩方式：MCS-51單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖（如圖并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖（如圖2-10所示）。所示）。2外部振蕩方式：外部振蕩

19、方式：外部振蕩方式就是把外部外部振蕩方式就是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)（如圖已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)（如圖2-11所所示）。示）。 XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部時(shí)鐘源 圖2-10 內(nèi)部振蕩方式 圖2-11 外部振蕩方式返回本節(jié)P1P2S1P2振蕩周期時(shí)鐘周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2圖2-12 MCS-51單片機(jī)各種周期的相互關(guān)系2.4.2 振蕩周期、時(shí)鐘周期、機(jī)器周

20、期和指令周期振蕩周期、時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期1振蕩周期：振蕩周期：為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的振蕩為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的振蕩源的周期。源的周期。 2時(shí)鐘周期：時(shí)鐘周期：是振蕩源信號(hào)經(jīng)二分頻后形成是振蕩源信號(hào)經(jīng)二分頻后形成的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 3機(jī)器周期：機(jī)器周期：通常將完成一個(gè)基本操作所需通常將完成一個(gè)基本操作所需的時(shí)間稱為機(jī)器周期。的時(shí)間稱為機(jī)器周期。 4指令周期：指令周期：是指是指CPU執(zhí)行一條指令所需要執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間。一個(gè)指令周期通常含有的時(shí)間。一個(gè)指令周期通常含有14個(gè)機(jī)器周個(gè)機(jī)器周期。期。 若若MCS-51單片機(jī)外接晶振為單片機(jī)外接晶振為12MHz時(shí)，則單時(shí)，則

21、單片機(jī)的四個(gè)周期的具體值為：片機(jī)的四個(gè)周期的具體值為：振蕩周期振蕩周期1/12MHz1/12s0.0833s時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期1/6s0.167s機(jī)器周期機(jī)器周期1s指令周期指令周期14s返回本節(jié)2.4.3 MCS-51單片機(jī)指令的取指和執(zhí)行時(shí)序單片機(jī)指令的取指和執(zhí)行時(shí)序圖2-13 MCS-51單片機(jī)典型指令的取指和執(zhí)行時(shí)序 返回本節(jié)再 讀 下 一條指令再 讀 下 一條指令XTAL2(OSC)P2S1ALE讀操作碼讀下一個(gè)操作碼（丟棄）讀第二字節(jié)（a） 單字節(jié)，單周期指令 例：MOV A R1（d）單字節(jié)，雙周期指令，如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2

22、S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1讀操作碼P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1讀下一個(gè)操作碼（丟棄）（b） 雙字節(jié)，單周期指令 例：ADD A dir（c）單字節(jié)，雙周期指令 例：INC DPTR讀 操 作 碼 （MOVX）讀下一個(gè)操作碼（丟棄）無取指無ALE無取指地址數(shù)據(jù)（DATA）訪問外部存儲(chǔ)器P2S1讀操作碼P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S